CN107043269B - 一种陶瓷低温快速焊接改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种陶瓷低温快速焊接改性的方法，其包括以下步骤：1)在两层陶瓷之间设置五层金属箔，中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，金属箔面积与需焊接改性的区域面积大小相同，固定两层陶瓷及金属箔得到试样；2)将步骤1)所得试样置于石墨模具中，试样与模具之间用双层石墨纸隔离，再将装有试样的模具放入PAS炉中进行焊接，焊接完成后对试样进行后处理即可。本发明通过陶瓷部分液相低温快速连接方法将扩散焊与低温PTLP焊两种连接方法的优势结合起来，用于陶瓷材料间连接，保证高熔点母材与中间层元素间充分扩散，从而实现焊件间的有效连接，有利于促进接头成分均匀化和提高连接强度。

Description

一种陶瓷低温快速焊接改性的方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种陶瓷低温快速焊接改性的方法。

背景技术

陶瓷材料的连接作为一个新课题在新材料研究领域十分重要，由于传统的金属材料难以在十分苛刻的环境下进行服役，而陶瓷材料的广泛应用弥补了它的局限性。陶瓷材料的连接在修复陶瓷提高陶瓷可靠性和制作多组分复杂部件方面，特别在机械与材料构件方面起着举足轻重的作用。

陶瓷材料连接的方法包括自蔓延高温合成技术、活性钎焊、固相扩散连接和部分瞬间液相连接(PTLP连接)。其中PTLP连接属于低温连接工艺，在连接进行过程中，反应会产生部分液相润湿陶瓷基体，再与中间层内部的固体金属相形成扩散效应，液相凝结固体，从而产生匀称的连接界面，它兼顾了钎焊和扩散连接的优点，其界面是通过液相组成的，过剩的液相扩散进入互补的核心中间层以完全去除界面处的低熔点层。

对于一些难以连接的陶瓷材料如B₄C复相陶瓷，使用金属中间层对其连接的难点主要是陶瓷与金属的界面结合比较低，主要原因在于：1、由于熔融金属在陶瓷上润湿性较差，使得界面结合比较困难；2、两者的热膨胀系数差异较大，在降温过程中界面上产生较大的残余应力，结合界面处形成很多的缺陷。而且采用一般的PTLP方法连接处理陶瓷材料的时间都在2h以上，耗时较长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种陶瓷低温快速焊接改性的方法，采用较简单的工艺在较低温度下实现陶瓷材料之间快速连接，并且连接处界面良好，连接牢固，能够提高所制备的陶瓷焊件的机械性能。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种陶瓷低温快速焊接改性的方法，其包括以下步骤：

1)在两层陶瓷之间设置五层金属箔，中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，金属箔面积与需焊接改性的区域面积大小相同，固定两层陶瓷及金属箔得到试样；

2)将步骤1)所得试样置于石墨模具中，试样与模具之间用双层石墨纸隔离，再将装有试样的模具放入等离子活化炉(PAS炉)中进行焊接，焊接完成后对试样进行后处理即可。

按上述方案，步骤1)所述陶瓷为B₄C复相陶瓷。所述B₄C复相陶瓷的主要成分为碳化硼和硼化钛复相陶瓷。

按上述方案，步骤1)所述镍箔纯度≥99.8％，厚度为400μm；所述铜箔纯度≥99.7％，厚度为200μm；所述钛箔纯度≥99％，厚度为10-20μm。

按上述方案，步骤2)所述焊接的工艺条件为：在真空度低于2Pa条件下，以100-150℃min^-1的升温速率升温至900-1040℃，保温10-20min，然后以150-200℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5-15MPa。

按上述方案，步骤2)所述焊接的时间为33～37min。

按上述方案，步骤2)所述后处理包括线切割、打磨、抛光处理。因为B₄C复相陶瓷导电的性质使得它能够做电火花线切割处理，打磨抛光后便于进行力学性能和微观结构检测。

本发明通过陶瓷部分液相低温快速连接方法将扩散焊与低温PTLP焊两种连接方法的优势结合起来，用于陶瓷材料间连接，保证高熔点母材与中间层元素间充分扩散，从而实现焊件间的有效连接，有利于促进接头成分均匀化和提高连接强度。

采用一般的PTLP连接工艺，升温速率和降温速率一般为5～10℃min^-1，而本发明采用部分液相低温快速焊接的升温速率和降温速率都超过了100min^-1，整个连接过程在40分钟内就能完成。

本发明的有益效果在于：1、本发明以陶瓷(如B₄C复相陶瓷)为原料，使用五层金属箔(Ti，Cu，Ni，Cu，Ti)作为中间层，使用SPS等离子放电烧结技术将固相扩散连接和部分液相连接技术相结合作为新的陶瓷连接技术，使用Ti，Cu共晶产生液相来改善金属在陶瓷上的润湿性，通过Cu层的塑性变形，吸收降温过程中接头处所产生的残余应力，另外芯部金属镍箔仍为固相，通过与金属层之间的相互扩散，形成了界面结合良好的陶瓷接头，提高了陶瓷样品的机械性能(制备的B₄C复相陶瓷焊件经打磨抛光后，其剪切强度、抗弯强度均获得了不同程度的提高)。2、本发明焊接过程工艺简单，能够在较短时间内完成连接(焊接的时间仅为33～37min)，成本较低，易于实现，可用于焊接陶瓷器件，也可用于陶瓷增强改性。

附图说明

图1为本发明实施例1所制备的试样的结构示意图；

图2为实施例1所得的B₄C复相陶瓷接头的背散射电子显微图像；

图3为实施例2所得B₄C复相陶瓷焊件接头的面扫图；

图4为实施例3所得温度对B₄C复相陶瓷焊件接头的点扫图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1

B₄C复相陶瓷部分液相低温快速连接方法，具体步骤如下：

1)将B₄C复相陶瓷加工成2mm×25mm×25mm的标准长方体样品，镍箔(纯度≥99.8％)，钛箔(纯度≥99％)和铜箔(纯度≥99.7％)被切成25mm×25mm的金属箔片，镍箔厚度为400μm，铜箔厚度为200μm，钛箔厚度为10μm，所有的材料都需要进行抛光处理，用酒精进行超声处理，然后在烘箱里面进行烘干；

2)在两块陶瓷薄片之间分别放上金属钛箔、铜箔和镍箔，其中中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，固定两层陶瓷及金属箔得到试样(结构如图1所示)，再将叠放好的试样放入高强石墨模具中，装入PAS炉中进行焊接处理，具体工艺为：在真空度为1Pa条件下，以100℃min^-1的升温速率快速升温至960℃，保温20min，然后以150℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5MPa，焊接时间为36min；

3)焊接完成后对样品进行线切割、打磨、抛光处理，制得B₄C复相陶瓷焊接件。

本实施例所得B₄C复相陶瓷界面的剪切强度为58.53MPa，抗弯强度为340.47MPa(B₄C复相陶瓷的抗弯强度为306MPa)，图2为本实施例B₄C复相陶瓷接头的背散射电子显微图像，其中母材为TiB₂和B₄C的复相陶瓷，由图中可以看出，颜色较深的是B₄C陶瓷，颜色较浅的是TiB₂陶瓷，在陶瓷基体中间层焊料之间形成了一层凹凸不平的界面，焊接使陶瓷/中间层界面逐步变得凹凸不平，这种凹凸状的界面有利于增加机械结合力(咬合作用)，随着界面处凹凸数量的增加，陶瓷与反应层之间的接触面积也随之增大，从而提高整个界面的化学结合力；同时扩散使一次PTLP连接形成的陶瓷界面与中间层更加致密，进一步提高了界面强度，同时也有利于愈合界面的微观孔洞和缺陷，减少接头的应力集中，提高接头的性能，增加抵抗界面断裂的能力。

实施例2

B₄C复相陶瓷部分液相低温快速连接方法，具体步骤如下：

1)将B₄C复相陶瓷加工成2mm×25mm×25mm的标准长方体样品，镍箔(纯度≥99.8％)，钛箔(纯度≥99％)和铜箔(纯度≥99.7％)被切成25mm×25mm的金属箔片，镍箔厚度为400μm，铜箔厚度为200μm，钛箔厚度为10μm，所有的材料都需要进行抛光处理，用酒精进行超声处理，然后在烘箱里面进行烘干；

2)在两块陶瓷薄片之间分别放上金属钛箔、铜箔和镍箔，其中中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，固定两层陶瓷及金属箔得到试样，再将叠放好的试样放入高强石墨模具中，装入PAS炉中进行焊接处理，具体工艺为：在真空度为1Pa条件下，以120℃min^-1的升温速率快速升温至980℃，保温10min，然后以150℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5MPa，焊接时间为35min；

3)焊接完成后对样品进行线切割、打磨、抛光处理，制得B₄C复相陶瓷焊接件。

本实施例所得B₄C复相陶瓷金属材料接头的剪切强度为47.12MPa，抗弯强度为305.84MPa，图3为本实施例所制备的B₄C复相陶瓷接头的背散射图以及EDS面扫图，a为B₄C复相陶瓷接头的横截面图，b至f分别代表Ti、Ni、C、Cu、B元素的分布图。可以清楚的看到Cu/Ni/Cu金属层的存在，并且Cu、Ni两种元素在Cu/Ni界面和Ti/Cu界面发生扩散，增强了接头强度。同时B元素和C元素在接头的分布很均匀，金属中间层中发现了大量的硼元素，同时也有部分少量的碳元素扩散到中间层中，并且两者扩散的距离都相对较远。当加热温度由于Ti/Cu初始界面存在极高的浓度梯度，超过其最低共晶温度1154K时，Ti、Cu原子间的相互扩散导致在界面处瞬时形成一液相合金层，因Ti、Cu原子在液相中的相互扩散系数(D)远大于固相中的D，因而在界面上形成的液相将优先成长、并同时向两侧推移。

实施例3

B₄C复相陶瓷部分液相低温快速连接方法，具体步骤如下：

1)将B₄C复相陶瓷加工成2mm×25mm×25mm的标准长方体样品，镍箔(纯度≥99.8％)，钛箔(纯度≥99％)和铜箔(纯度≥99.7％)被切成25mm×25mm的金属箔片，镍箔厚度为400μm，铜箔厚度为200μm，钛箔厚度为10μm，所有的材料都需要进行抛光处理，用酒精进行超声处理，然后在烘箱里面进行烘干；

2)在两块陶瓷薄片之间分别放上金属钛箔、铜箔和镍箔，其中中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，固定两层陶瓷及金属箔得到试样，再将叠放好的试样放入高强石墨模具中，装入PAS炉中进行焊接处理，具体工艺为：在真空度为2Pa条件下，以100℃min^-1的升温速率快速升温至1000℃，保温15min，然后以150℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5MPa，焊接时间为37min；

3)焊接完成后对样品进行线切割、打磨、抛光处理，制得B₄C复相陶瓷焊接件。

本实施例所得B₄C复相陶瓷金属材料接头的剪切强度为51.97MPa，抗弯强度为368.31MPa，图4为本实施例所制备的B₄C复相陶瓷接头EDS的点扫描图(A至D代表界面附近中间层内的四个点)，接头点扫描结果见表1。随着与陶瓷/金属的界面距离的增大，中间层中B元素的含量依次减小，C元素与Ti元素含量较低，说明在保温过程中，B元素在中间层中的扩散较为活跃。

表1

实施例4

B₄C复相陶瓷部分液相低温快速连接方法，具体步骤如下：

1)将B₄C复相陶瓷加工成2mm×25mm×25mm的标准长方体样品，镍箔(纯度≥99.8％)，钛箔(纯度≥99％)和铜箔(纯度≥99.7％)被切成25mm×25mm的金属箔片，镍箔厚度为400μm，铜箔厚度为200μm，钛箔厚度为10μm，所有的材料都需要进行抛光处理，用酒精进行超声处理，然后在烘箱里面进行烘干；

2)在两块陶瓷薄片之间分别放上金属钛箔、铜箔和镍箔，其中中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，固定两层陶瓷及金属箔得到试样，再将叠放好的试样放入高强石墨模具中，装入PAS炉中进行焊接处理，具体工艺为：在真空度为1Pa条件下，以100℃min^-1的升温速率快速升温至1020℃，保温20min，然后以150℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5MPa，焊接时间为37min；

3)焊接完成后对样品进行线切割、打磨、抛光处理，制得B₄C复相陶瓷焊接件。

本实施例所得B₄C复相陶瓷金属材料接头的剪切强度为72.15MPa，抗弯强度为336.89MPa。

实施例5

本实施例方法与实施例1相似，不同之处在于：步骤2)中施加10MPa的焊接压力，升温速率为150℃min^-1，焊接时间为33min，所得B₄C复相陶瓷接头抗剪切强度为65.24MPa，抗弯强度为360.77MPa。

实施例6

本实施例方法与实施例1相似，不同之处在于：步骤2)中施加15MPa的焊接压力，焊接时间为36min。所得B₄C复相陶瓷接头抗剪切强度为60.15MPa，抗弯强度为347.92MPa。

Claims (4)

1.一种陶瓷低温快速焊接改性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在两层陶瓷之间设置五层金属箔，中间层为镍箔，镍箔两面各贴合一层铜箔，铜箔与陶瓷之间设有一层钛箔，金属箔面积与需焊接改性的区域面积大小相同，固定两层陶瓷及金属箔得到试样；

2）将步骤1）所得试样置于石墨模具中，试样与模具之间用双层石墨纸隔离，再将装有试样的模具放入等离子活化炉中进行焊接，焊接完成后对试样进行后处理即可；

步骤1）所述陶瓷为B₄C复相陶瓷；

步骤2）所述焊接的工艺条件为：在真空度低于2Pa条件下，以100-150℃min^-1的升温速率升温至900-1040℃，保温10-20min，然后以150-200℃min^-1的降温速率降温至室温，焊接压力为5-15MPa。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤1）所述镍箔纯度≥99.8%，厚度为400μm；所述铜箔纯度≥99.7%，厚度为200μm；所述钛箔纯度≥99%，厚度为10-20μm。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2）所述焊接的时间为33~37min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤2）所述后处理包括线切割、打磨、抛光处理。

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